construcción de un prototipo de sistema de organización

Universidad de La Salle Universidad de La Salle

Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle

Ingeniería en Automatización Facultad de Ingeniería

9-5-2016

Construcción de un prototipo de sistema de organización por Construcción de un prototipo de sistema de organización por

grupos homogéneos de rosas para empaque grupos homogéneos de rosas para empaque

Karen Andrea Rincon Sanchez Universidad de La Salle, Bogotá

Andres Esteban Buitrago Reyes Universidad de La Salle, Bogotá

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CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE SISTEMA DE ORGANIZACIÓN

POR GRUPOS HOMOGÉNEOS DE ROSAS PARA EMPAQUE.

KAREN ANDREA RINCON SANCHEZ ANDRES ESTEBAN BUITRAGO REYES

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

FACULTAD DE INGENIERÍA EN AUTOMATIZACIÓN

BOGOTÁ D.C

2016

CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE SISTEMA DE ORGANIZACIÓN POR GRUPOS HOMOGÉNEOS DE ROSAS PARA EMPAQUE.

KAREN ANDREA RINCON SANCHEZ ANDRES ESTEBAN BUITRAGO REYES

DIRIGIDO POR:

ING. JOSÉ LUIS RUBIANO FERNÁNDEZ

INGENIERO MECÁNICO

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

FACULTAD DE INGENIERÍA EN AUTOMATIZACIÓN

BOGOTÁ D.C

2016

Nota de aceptación

__________________________________

__________________________________

__________________________________

__________________________________

__________________________________

_________________________________ Firma Asesor

Ing., José Luis Rubiano Fernández

_________________________________

Jurado

Ing. Pedro Martin Gómez

_________________________________

Jurado

Ing. Jairo Montoya Gómez

Bogotá 5 de Septiembre de 2016.

AGRADECIMIENTOS

Gracias a Dios por ser mi guía y darme fortaleza para realizar las metas que tengo en mi vida. A mi mamá Gladys por darme amor, cuidados, y estar pendiente de mí siempre. A mi papá Jairo que siempre apoyó mis decisiones dando lo mejor posible para cumplir mis proyectos. A mi hermano Jairo que siempre está pendiente de mí. A mis hermanas por creer en mí. A mi novio y compañero de tesis por su excelente trabajo y dedicación en el proyecto. A nuestro director, el Ing José Luis Rubiano, por su disposición, paciencia y orientación en este trabajo. También a todas las personas que han estado presentes en mi formación académica y personal.

Andrea Rincón

Gracias principalmente a Dios por la sabiduría y la dirección en toda mi vida y haberme permitido llegar hasta aquí. A mi madre Ana María por su amor, y su dedicación durante toda la carrera y mi vida. ¡Gracias mamá! Agradezco a mi padre John Adams por el apoyo y la confianza que me ha brindado todo este tiempo. A mi hermano Juan Felipe. A mi novia y compañera Andrea por su compañía y sus oportunas palabras de aliento. A nuestro director, el Ing José Luis Rubiano, por su amable disposición y orientación. Y en general a toda mi familia porque su compañía y oraciones han sido muy importantes para mí. También quiero dedicarlo a mi abuelo, mi tío y mi bisabuela que desde el cielo espero que se agraden de este nuevo triunfo.

Esteban Buitrago

Tabla de Contenido

Pág.

LISTA FIGURAS ................................................................................................ 7

LISTA DE TABLAS ........................................................................................... 10

LISTA DE ANEXOS .......................................................................................... 11

GLOSARIO ....................................................................................................... 12

INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 14

RESUMEN ........................................................................................................ 15

OBJETIVOS ...................................................................................................... 16

1. MARCO TEÓRICO ...................................................................................... 17

1.1 SITUACIÓN ACTUAL DE LAS ROSAS ...................................................... 17

1.2 CLASIFICACIÓN BOTÁNICA DE FLORES Y FOLLAJES DE CORTE ..... 19

1.3 ORGANIZACIÓN Y TRANSPORTE DE ROSAS ENTRE LAS ETAPAS DE

POSCOSECHA ................................................................................................. 19

1.4 MATERIALES ............................................................................................. 20

1.5 MOTORES ELECTRICOS ......................................................................... 22

1.6 ACTUADORES Y ELEMENTOS DE PROTECCIÓN .................................. 23

1.7 TABLERO DE CONTROL. .......................................................................... 23

2 ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN ................................................................. 25

2.1. CRITERIOS DE SELECIÓN ...................................................................... 27

3. DEFINICION DE SISTEMAS ........................................................................ 29

3.1. DIAGRAMA DE BLOQUES ........................................................................ 29

4. DISEÑO Y CALCULOS DEL PROTOTIPO .................................................. 31

4.1 CRITERIOS DE DISEÑO ........................................................................... 31

4.2 CÁLCULO POTENCIA DEL MOTOR ......................................................... 32

4.3 DISEÑO DEL SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE MOVIMIENTO DEL

MOTOREDUCTOR ........................................................................................... 35

4.4 DISEÑO DEL SISTEMA MECANICO ......................................................... 38

4.5 DISEÑO DEL MECANISMO DE AJUSTE DEL CONJUNTO ...................... 64

5. CONTROL DEL PROTOTIPO ..................................................................... 66

5.1 PROGRAMACIÓN DEL PROTOTIPO ........................................................ 66

5.2 CONTEO DE LAS ROSAS ......................................................................... 68

5.3 INTERFAZ HUMANO MÁQUINA ............................................................... 69

5.4 SISTEMA ELECTRICO .............................................................................. 70

6. CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO ........................................................... 73

7. ANALISIS, RESULTADOS Y RECOMENDACIONES .................................. 80

8. CONCLUSIONES ......................................................................................... 88

9. BIBLIOGRAFIA ............................................................................................. 89

7

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1 Gráfico de venta en miles de dólares de los principales países

productores de flores. ....................................................................................... 18

Figura 2 Métodos de empacados manuales realizados por floricultores

realizados por la empresa ECOROSES. .......................................................... 20

Figura 3 Máquinas de transporte “Jamafa quality rose grading line stil” ........... 20

Figura 4 Funcionamiento sensor capacitivo.. .................................................... 23

Figura 5 Ejemplo de tablero de control eléctrico. .............................................. 24

Figura 6 Sistema de pinza robótica para transporte de rosas. .......................... 25

Figura 7 Sistema de transporte con pinza robótica y bandas transportadora.. . 25

Figura 8 Sistema de transporte con bandas elásticas y guía para rosas. ......... 26

Figura 9 Sistema de guías con rodillos giratorios para banda

transportadora. .................................................................................................. 26

Figura 10. Alternativa de ajuste con guía para banda transportadora para

rosas. ................................................................................................................ 27

Figura 11. Diagrama general de los sistemas que intervienen en la producción

de rosas. ........................................................................................................... 29

Figura 12 Diagrama de bloques del subsistema de organización por grupos

homogéneos de rosas. ..................................................................................... 29

Figura 13 Esquema general del prototipo de la máquina. ................................. 31

Figura 14 Sistema de reducción de velocidad del motor.. ................................ 35

Figura 15 Esquema de transmisión correa bandas. .......................................... 36

Figura 16 Distribución de los elementos a través del eje. ................................. 40

Figura 17 Distribución de las tensiones generadas por las bandas. ................ 41

Figura 18. Diagrama de cargas sobre el eje. .................................................... 42

Figura 19. Diagrama de esfuerzos cortantes. ................................................... 42

Figura 20 Diagrama de momento del eje .......................................................... 43

Figura 21 Distribución de elementos del segundo eje. ..................................... 44

Figura 22 Diagrama de cargas sobre el segundo eje. ...................................... 44

8

Figura 23 Diagrama de esfuerzos cortantes... .................................................. 45

Figura 24 Diagrama de momento del eje.. ....................................................... 45

Figura 25 Montaje de las poleas, correas, ejes y engranajes. Nota: la estructura

es denotada con el número 1............................................................................ 46

Figura 26 Esquema general del sistema de transporte de rosas. .................... 47

Figura 27 Configuración de dos engranajes de dientes rectos.. ..................... 47

Figura 28 Poleas en aluminio............................................................................ 49

Figura 29 CAD chumacera AST UCP205-16. ................................................... 50

Figura 30 Software de selección de rodamientos. ........................................... 51

Figura 31 Limitaciones del rodamiento. ............................................................ 52

Figura 32 Rodamiento tipo insertable UCP205-16.. .......................................... 52

Figura 33 Esquema general del sistema de transporte de rosas... ................... 53

Figura 34 Diseño CAD de molde para bandas.. ............................................... 53

Figura 35 Esquema grafico de las medidas tomadas para el cálculo de la

longitud de la correa.. ....................................................................................... 53

Figura 36 Bosquejo de sistema de envio de rosas por parte de la etapa de

clasificación (a), Angulo de caída de la rosa (b).. ............................................. 54

Figura 37 Diseño del sistema de recepción acoplado al sistema de

transporte. ......................................................................................................... 55

Figura 38 Definición gráfica de la estructura. .................................................... 56

Figura 39 Medición realizada para obtener la masa de una chumacera de

diámetro interno 1 pulgada. .............................................................................. 56

Figura 40 Medición realizada de la masa de una banda transportadora.. ........ 57

Figura 41 Medición realizada de la masa de un engranaje. ........................... 58

Figura 42 Medición realizada para obtener la masa de una polea... ................ 58

Figura 43 Motorreductor... ................................................................................ 59

Figura 44 Elementos que componen el prototipo horizontalmente.. ................. 60

Figura 45 Dimensionamiento de la estructura................................................... 61

Figura 46 Ubicación de las fuerzas ejercidas por los componentes. ................ 62

Figura 47 Diagrama de esfuerzos de Von Mises .............................................. 63

Figura 48 Análisis estático de desplazamiento. ............................................... 63

Figura 49 Esquema de implementación del mecanismo de ajuste. .................. 65

9

Figura 50 Diseño del funcionamiento del ajuste de bandas ............................. 65

Figura 51 Diagrama de flujo del sistema. .......................................................... 67

Figura 52 Sensor capacitivo ............................................................................. 68

Figura 53 Pantalla principal HMI ....................................................................... 69

Figura 54 Modo Automático HMI(a), Modo Manual HMI (b) ............................. 70

Figura 55 Distribución de los elementos. .......................................................... 71

Figura 56 Tablero de control ............................................................................. 72

Figura 57 Dimensionamiento de molde para banda transportadora. ................ 73

Figura 58 Fabricación banda transportadora. ................................................... 74

Figura 59 Construcción base estructura.. ......................................................... 74

Figura 60 Construcción base rodillos y chumaceras. ...................................... 75

Figura 61 .Rodillos de desplazamiento de banda. ......................................... 75

Figura 62 Tornillo roscado utilizado para ajustar las poleas ............................. 76

Figura 63 Eje de rotación en acero ................................................................... 76

Figura 64 Poleas en aluminio soportadas en el eje. ......................................... 77

Figura 65 Ensamblaje de los engranajes .......................................................... 77

Figura 66 Diseño del sistema de transmisión de movimiento del motor. .......... 77

Figura 67 Sistema de conteo y sistema de recepción. ...................................... 78

Figura 68 Sistema de entrega de rosa. ............................................................. 78

Figura 69 Caja de protección de engranajes. ................................................... 79

Figura 70 Estructura final del prototipo. ............................................................ 79

Figura 71 Rosas ubicadas en la banda transportadora. ................................... 80

Figura 72 Ubicación primera de los sensores... ................................................ 80

Figura 73 Diseño banda transportadora para trabajos futuros. ......................... 81

Figura 74 Ubicación final de los sensores capacitivos. ..................................... 82

Figura 75 Resultados de prueba de conteo sensor 1. ...................................... 83

Figura 76 Resultados de prueba de conteo sensor 2. ...................................... 83

Figura 77 Pantalla principal HMI. ...................................................................... 84

Figura 78 Modo manual del proyecto en HMI. .................................................. 84

Figura 79 Modo automático del funcionamiento del HMI.. ................................ 85

Figura 80 Visualización entradas físicas en el HMI. .......................................... 85

10

LISTA DE TABLAS

Tabla 1 Principales países exportadores de flores a nivel mundial. .................. 17

Tabla 2 Clasificación Botánica de algunas especies de flores y follajes de

corte. ................................................................................................................ 19

Tabla 3 Características del caucho silicona. ..................................................... 21

Tabla 4 Propiedades del acero estructural.. .................................................... 22

Tabla 5 Matriz de valoración. ............................................................................ 28

Tabla 6 Matriz de decisión. ............................................................................... 28

Tabla 7 Características motorreductor . ............................................................ 35

Tabla 8 Especificaciones de la polea. ............................................................... 50

Tabla 9 Especificaciones mínimas de la chumacera. ....................................... 50

Tabla 10 Prueba de ángulo de inclinación de deslizamiento de la rosa. ........... 54

Tabla 11 Tabla con las diferentes fuerzas que ejerce cada elemento sobre la

estructura. ......................................................................................................... 60

Tabla 12 Adquisición de datos del diámetro de 12 rosas. ................................. 64

Tabla 13 Características motoreductor ............................................................ 65

Tabla 14 Especificaciones del sensor. .............................................................. 69

Tabla 15 Entradas y salidas del PLC. ............................................................... 68

Tabla 16 Elementos del sistema eléctrico . ....................................................... 71

Tabla 17 Consignación de pruebas de conteo para 20 rosas. .......................... 82

Tabla 18 Consumo en vatios de los elementos de la máquina. ........................ 86

LISTA DE ANEXOS

11

ANEXO A: Planos Mecánicos

ANEXO B: Planos Eléctricos

ANEXO C: Programa PLC

ANEXO D: Manual de Operación

12

GLOSARIO

PROTOTIPO: Un Prototipo es un objeto que sirve como referencia para futuros modelos en una misma cadena de producción. Es el primer dispositivo que se fabrica y del que se toman las ideas más relevantes para la construcción de otros diseños futuros. El prototipo puede estar sujeto a errores, pues es la primera idea inicial de un proyecto. SISTEMA DE TRANSPORTE DE MATERIALES: La técnica de transporte de material es el nexo de unión entre las áreas de producción, preparación de productos y preparación de pedidos. Para elegir el sistema de transporte correcto lo decisivo son las vías de conexión, la distancia entre los puntos inicial y final, las tareas de transporte a realizar y las prestaciones requeridas dentro del sistema. RAMO DE FLORES: se denomina al conjunto de flores que aún conformadas en grupo van sueltas y tienen unos tallos largos de entre 50-60 cm. Quien lo recibe debe decorar las flores a su gusto y colocarlas como mejor le parezca estéticamente. CAPACIDAD DE PROCESO: corresponde a la tasa máxima de producción, es decir, cuántas unidades en un intervalo de tiempo un proceso (sistema) puede producir. TIEMPO DE CICLO DE PRODUCCIÓN: es el tiempo promedio entre la producción de dos unidades consecutivas. PRODUCTIVIDAD: Describe la capacidad o el nivel de producción por unidad de superficie de tierras cultivadas, de trabajo o de equipos industriales. AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: es el uso de sistemas o elementos computarizados y electromecánicos para controlar maquinarias o procesos industriales. MÁQUINAS AUTOMÁTICAS: se consideran aquellas maquinas del taller de máquinas y herramientas que no necesitan más de un operario para controlarla. FUERZA: empuje aplicado a un cuerpo, que causa un cambio en el movimiento del mismo o alguna deformación en él. FACTOR DE SERVICIO: se denomina factor de servicio a un número que cuantifica las particulares condiciones de solicitaciones de la máquina o componente en etapa de selección. FACTOR DE DISEÑO: es una medida de seguridad relativa de un componente bajo la acción de una carga.

13

MAQUINABILIDAD: capacidad de un material para ser mecanizado. RESISTENCIA A LA TENSIÓN: punto máximo de la curva esfuerzo-deformación en donde se mide el máximo esfuerzo aparente de un material antes de sufrir una ruptura. RESISTENCIA A LA FATIGA: es el valor del esfuerzo que puede resistir un material durante una cantidad dada de ciclos de carga. RESISTENCIA A LA FLUENCIA: propiedad de un material de ceder o alargarse cuando el material se encuentra sometido a un esfuerzo. TORQUE: cuando se aplica una fuerza en algún punto de un cuerpo rígido, el cuerpo tiende a realizar un movimiento de rotación en torno a algún eje. El torque o momento de la fuerza es la propiedad de la fuerza para hacer girar al cuerpo. SISTEMA DE TRANSMISIÓN: mecanismo utilizado típicamente para realizar un cambio de velocidad de rotación de los ejes que forman la transmisión, para que el eje de salida trabaje con mayor lentitud o mayor rapidez que el eje de entrada.

14

INTRODUCCIÓN

El objetivo de este trabajo es presentar el “diseño y construcción del sistema de organización, transporte y conteo por grupos homogéneos de rosas para empaque” que utilizan las empresas floricultoras de Colombia, con el objetivo de crear un proceso continuo, de bajo costo de producción y que mejore el proceso de empaque de las rosas. Para el cumplimiento de este objetivo, se realizó un estudio previo de la problemática de los floricultores en la poscosecha, en la etapa de organización y transporte de rosas, se siguieron los pasos que propone la ingeniería y se logró implementar el diseño del nuevo sistema. El proceso de producción de rosas en Colombia, se realiza en diferentes etapas, que se encuentran divididas según el grado de madurez de la rosa; estas etapas son cosecha y pos cosecha. En la etapa de la pos cosecha, después de la clasificación de las rosas, las operarias forman grupos de flores en cantidades que pueden ir de 10 a 25 rosas, lo cual hace que el proceso se torne lento y tedioso para el trabajador. Una forma de resolver este problema, consiste en la automatización del proceso de formación de grupos. Para poder lograr está, se requiere dentro de otros procesos, de la clasificación por visión de máquina y de la formación de grupos de flores. Para pasar de uno a otro proceso, se requiere de uno intermedio, objetivo de este proyecto, consistente en el diseño de un sistema que permita pasar las flores del sistema de clasificación al sistema de empaque.

15

RESUMEN

Con el fin de mejorar el proceso de transporte y organización de rosas por grupos homogéneos, se realizó el diseño y construcción de un prototipo funcional de manera automatizada que mejore la productividad y los estándares de calidad de las rosas. En el proyecto se realiza el diseño, construcción, control, puesta a punto y marcha del prototipo construido.

Con el fin de realizar el diseño del sistema automatizado, se indaga sobre los

diferentes mecanismos de transporte para las rosas actuales, las distintas

formas de almacenamiento existentes, después de ellos se generan criterios de

selección, se evalúan, y se selecciona una alternativa de diseño. Seguido de lo

anterior, se definen los subsistemas componentes del prototipo, se diseñan los

diferentes subsistemas y luego, se realizan los planos de todo el diseño del

sistema de la máquina organizadora de rosas. Posteriormente, se construye el

prototipo funcional del diseño, y se realizan pruebas al prototipo para validar su

correcto funcionamiento.

Finalmente, se elaboró el informe final con sus respectivas memorias de cálculo y planos del prototipo elaborado y recomendaciones para trabajos futuros.

16

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Construir un prototipo de un sistema de organización por grupos homogéneos

de rosas para empaque.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Diseñar los componentes del sistema mecánico para la recepción de la etapa de clasificación y entrega de rosas a la etapa de empaque.

Diseñar el sistema de manejo y conteo de rosas.

Diseñar el sistema de control de la máquina organizadora de rosas.

Diseñar el sistema de visualización HMI. Construir los diferentes subsistemas, ensamblarlos y poner a punto todo

el conjunto.

17

1. MARCO TEÓRICO

1.1. SITUACIÓN ACTUAL DE LAS ROSAS Debido a la ubicación geográfica de la Sabana de Bogotá, y a la calidad de sus suelos, se inició en los años sesenta la producción de flores para exportación. Lo anterior, aunado a la dedicada labor de los floricultores, ha permitido que Colombia se sitúe actualmente como el segundo mayor exportador de flores en el mundo, con una amplia oferta de flores de exportación, entre las que se encuentran: rosas, claveles, alstroemerias, crisantemos, heliconias y anturios; los follajes también hacen parte del catálogo de exportación del país. (Colombia, 2015) En términos del mercado internacional, la demanda de flores colombianas, se concentra principalmente en tres regiones: Europa Occidental, América del Norte y Asia. En Europa, Alemania es el principal importador de flores, mientras que Holanda es el principal abastecedor para Alemania, Suiza, Francia y el Reino Unido. En América, Colombia es el principal oferente de flores con destino a EE.UU. y Ecuador es el segundo. En Asia por su parte, Japón recibe flores de China, Nueva Zelanda y Europa. (Susana, 2007) En la tabla 1 se observan los principales países exportadores de flores a nivel internacional reflejados en millones de dólares. Tabla 1. Principales países exportadores de Flores a nivel mundial

PAIS US$. Miles de dólares

(2015)

Países bajos 3.841.654

Colombia 1.295.399

Ecuador 819.939

Etiopia 662.432

Kenya 52

Malasia 28

China 28

Italia 25

Bélgica 11

Fuente: (ITC, 2015) En la figura 1 se puede observar a través de un gráfico de barras los países con más ventas a nivel mundial. Se muestra claramente, que Países Bajos es el que más vende flores y cuenta con grandes fábricas automatizadas para dicha producción.

18

Figura 1. Gráfico de venta en miles de dólares de los principales países

productores de flores.

Fuente: (ITC, 2015)

Esta importante posición de Colombia en el mercado internacional de flores, ha

generado la introducción de estándares de productividad y competitividad

expresados en: la calidad, color, tamaño, empaquetado y diversidad en los

tipos de flores; convirtiéndose esta última en un principio diferenciador con

respecto a los demás países exportadores. Esta diversidad, junto a los otros

factores, ha permitido a los floricultores colombianos enfrentarse al reto de

“mercados de flores definidos, tanto por las particularidades de la cultura como

por la localización climática de cada país, expresadas en diferentes

temporadas.” (Cadavid, 2016)

Para mejorar la eficacia y productividad del proceso de empacado de ramos, es

necesario conocer la morfología de la rosa y las principales características de

las mismas que permitan determinar que parámetros son necesarios, para

definir el tipo de empaque y la cantidad de flores por ramo teniendo en cuenta

las normas que existen a nivel nacional e internacional.

19

1.2. CLASIFICACIÓN BOTÁNICA DE FLORES Y FOLLAJES DE CORTE La clasificación de las rosas obedece a la taxonomía aceptada para el reino vegetal, en donde los nombres de cada especie son asignados según el Código Internacional de Nomenclatura Botánica. Las categorías taxonómicas más importantes son: variedad, especie, género, familia, clase, división o phylum y reino. En la tabla 2 se encuentra la clasificación taxonómica de las especies a tratar en el módulo de floricultura. (Susana, 2007) Tabla 2. Clasificación Botánica de algunas especies de flores y follajes de corte.

TIPOS DE FLORES

ORDEN FAMILIA GENERO ESPECIE

Rosa Rosales Rosaceae Rosa Indica

Girasol Asterales Compositae Helianthus annus

Violetas Violales Violaceae Viola Corneta

Ave del Paraíso

Zingiberales Strelitziaceae Strelitzia Reginae, augusta

Calatheas Zingiberales Marantaceae Calathea Lutea

Fuente: (Susana, 2007)

1.3. ORGANIZACIÓN Y TRANSPORTE DE ROSAS ENTRE LAS ETAPAS DE POSCOSECHA

Todo producto perecedero requiere de condiciones especiales de organización, almacenamiento y transporte para preservar la calidad obtenida durante el proceso de producción. Particularmente, las flores representan este tipo de producto y requieren cuidados especiales en todas las fases de su desarrollo, producción, pos cosecha y transporte. En la mayoría de cultivos, la flor es transportada en lonas o cajas plásticas y llevadas por diferentes medios, como por ejemplo el cable vía o los carros de madera remolcados por operarias. (Pardo, 2011). En la etapa de clasificación de las rosas, las personas de la sala encargadas de la recepción, la reciben y la separan en forma ordenada; las colocan en: estantes si son cajas, o en los llamados “burros” si son lonas, o baldes con agua para luego pasarlas a las diferentes mesas de empaque, según la distribución establecida. Cada lona, malla o caja debe llevar una cantidad determinada de flores, de tal manera que la persona encargada de recibir la flor en la sala de empaque pueda contar en forma rápida y precisa el número rosas. Ver figura 2. (Pardo, 2011)

20

Figura 2. Métodos de empacados manuales realizados por floricultores realizados por la empresa ECOROSES.

Fuente: (ECOROSES, 2015) Empresas como las holandesas BERCOMEX B.V. y JAMAFA, son reconocidas a nivel mundial en la automatización de poscosecha de flores, ofreciendo en el mercado una serie de soluciones para tecnificar y racionalizar el proceso de clasificación, transporte, corte, deshojado y atado de ramos de rosas y flores de toda clase. Para el caso del transporte, entre los sistemas que ofrecen, se encuentran bandas transportadoras, como se observa en la figura 3, sistemas neumáticos y contadores que permiten una organización automatizada. Figura 3. Máquinas de transporte “Jamafa quality rose grading line stil”

Fuente: (JAMAFA, 2016)

1.4. MATERIALES

En este apartado de analizan los diferentes materiales utilizados para la construcción de cada subsistema de la máquina organizadora por grupos homogéneos de rosas para empaque.

21

1.4.1. Acrílico: Es el polímero de metil-metacrilato, PMMA. Es un termoplástico

rígido excepcionalmente transparente. En su estado natural es incoloro pero se

puede pigmentar para obtener una infinidad de colores. La lámina de acrílico

puede ser trabajada para darle una gran variedad de formas valiéndose de

distintos procesos industriales, artesanales y artísticos. La densidad del PMMA

es del orden de 1190 kg/m3, es decir 1.19 g/cm3. La resistencia al impacto del

acrílico estándar es del orden de 15 veces mayor que la del vidrio no templado.

(Ultra, 2014)

1.4.2. Caucho Silicona: Son elastómeros de bi-componentes vulcanizables a

temperatura ambiente bajo la acción de un catalizador. Sus ventajas son

numerosas y entre ellas podemos citar: facilidad de utilización, ya que no

precisa herramienta especial, poca contracción lineal y buena resistencia

térmica en los moldes obtenidos, gran flexibilidad y elasticidad de los cauchos

de silicona. (EMEC, 2013) .En la Tabla 3 se muestran las características del

caucho silicona.

Tabla 3. Características del caucho silicona.

CAUCHO RTV 3120 ROJO

Catalizador (%en peso) 10%

Dureza 60

Densidad a 25°C 1.47 g/cm3

Contracción lineal 0

Resistencia al desgarre Buena

Tiempo de vulcanizado 24 horas.

Tipo de vulcanización Condensación

Tiempo de trabajo 60min

Temperatura de trabajo -65 a 315°C

Fuente: (EMEC, 2013)

1.4.3. Hilo de Poliamida 6.6 Alta Tenacidad: Es un hilo de alta resistencia

mecánica, rigidez, dureza y tenacidad que posee alargamiento y recuperación

(COSER, 2014). Es torcido dos veces para tener mayor resistencia. Lubricado

para tener mayor suavidad al tacto, así como también aumentar el punto de

fusión para evitar el rompimiento. Estas propiedades ofrecen a ingenieros y

fabricantes un amplio rango de posibilidades de utilización que cumplen con los

requerimientos de muchas industrias. (PoliNylon, 2014)

22

1.4.4 Acero estructural: Este tipo de acero, es un acero con bajo carbón y laminado en caliente, se le nombra también como acero estructural al carbono, disponible en láminas, placas, barras y perfiles estructurales. Se obtiene al combinar el hierro, carbono y pequeñas proporciones de otros elementos tales como silicio, fósforo, azufre y oxígeno. Las propiedades de este acero se encuentran en la tabla 4. (Mott, 2006)

Tabla 4. Propiedades del acero estructural.

Número

ASTM

Grado producto

o espesor

Resistencia a

la tensión

(ksi)

Resistencia a

la fluencia

(Mpa)

Ductilidad

(Porcentaje de

elongación en

2 pulgadas)

A36 t≤ 8 pulg 58 36 21

A242 t≤ 3/4 pulg 70 50 21

A501 Tubo estructural

formado en

caliente, redondo.

110-130 100 18%

Fuente: (Mott, 2006)

1.5. MOTORES ELÉCTRICOS

Son máquinas que transforman la energía eléctrica absorbida en los bornes en energía mecánica. Estos motores pueden ser clasificación en dos clases, motores eléctricos de corriente continua y motores eléctricos de corriente alterna. Dentro de los motores de corriente continua se pueden encontrar varias clases de motores, como son los motores de excitación serie, excitación independiente, de derivación y de excitación compuesta. Por otro lado, dentro de los motores de corriente alterna se pueden encontrar motores monofásicos y motores trifásicos. De los motores monofásicos se derivan el motor monofásico de espira o corto circuito, el motor monofásico universal y el motor bobinado auxiliar. 1.5.1. Potencia eléctrica como criterio de selección de motores: La potencia se puede obtener a través de la relación de la velocidad angular deseada para la salida, y el torque esperado del motor.

23

1.6. ACTUADORES Y ELEMENTOS DE PROTECCIÓN

A continuación, se hace una descripción de los elementos actuadores, elementos de protección y maniobra más utilizados en la industria.

1.6.1. Sensor Capacitivo: Los sensores capacitivos reaccionan ante metales y no metales que al aproximarse a la superficie activa sobrepasan una determinada capacidad. El principio de funcionamiento de un sensor de proximidad capacitivo, está basado en la medición de los cambios de capacitancia eléctrica de un condensador en un circuito resonante RC, ante la aproximación de cualquier material, ver figura 4. (Yafte, 2012)

Figura 4. Funcionamiento sensor capacitivo.

Fuente: (Yafte, 2012)

1.6.2. Contactor: El uso de un contactor dentro de un tablero de control o un sistema eléctrico, permite la manipulación de corrientes de conducción, conexión y desconexión; en el caso del proceso, permite el arranque del motor. 1.6.3. Relé termo magnético: Los relés térmicos, protegen los motores cuando estos incrementan la corriente de arranque lo cual causa un aumento en la temperatura del motor y como consecuencia el motor se puede quemar, además que se reduce la vida útil del mismo. Dentro de sus funciones de protección están asociados tres casos especiales:

Disparo por desbalanceo de fases.

Disparo por falla de fase.

Disparo por sobrecarga.

1.7. TABLERO DE CONTROL

El tablero permite controlar, operar de forma adecuada y segura cada uno de los elementos eléctricos que influyen en el correcto funcionamiento de una máquina o un dispositivo eléctrico que tenga algún tipo de actuador. Ver figura 5.

24

Figura 5. Ejemplo de tablero de control eléctrico.

Fuente: (Integrados, 2015)

25

2. ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN El sistema de organización por grupos homogéneos se encuentra ubicado entre el sistema de clasificación por parámetros y el sistema de empaque en grupos homogéneos. A continuación, se describen algunas alternativas de solución para el transporte y organización por grupos homogéneos de rosas. Posteriormente, se realiza un análisis para selección de la solución, utilizando el método de matriz de decisión basado en diferentes criterios, comunes en la mayoría de las industrias y en nuestro medio.

ALTERNATIVA 1: MECANISMO DE PINZA ROBOTICA PARA TRANSPORTE DE ROSAS.

El mecanismo Jamafa rose grading, que se muestra en la figura 6, consiste en un mecanismo conformado por una banda transportadora que tiene una serie de ganchos en forma de U, empleados para el soporte y almacenamiento de las rosas. Una vez lleno este almacenamiento, un sistema neumático sujeta las rosas y una zunchadora, zuncha las rosas por los tallos, para posteriormente el sistema neumático ubicar de forma horizontal las rosas en otra banda transportadora. Figura 6. Sistema de pinza robótica para transporte de rosas.

Fuente: (Jamafa) Este sistema permite el almacenamiento de una gran cantidad de rosas debido a sus dos niveles de almacenado. El sistema toma un tiempo de 56 segundos en agrupar todas las rosas, zuncharlas y posteriormente llevarlas a la banda como se muestra en la figura 7.

Figura 7. Sistema de transporte con pinza robótica y bandas transportadoras.

Fuente: (Jamafa)

26

ALTERNATIVA 2: SISTEMA DE TRANSPORTE POR BANDAS ELASTICAS CON GUÍA EN ACRILICO.

Para el transporte de rosas en pos cosecha, se toma como alternativa el sistema que consiste en recibir la rosa de la etapa de clasificación por parámetros y enviarla al sistema de empaque en grupos homogéneos a través de una banda transportadora en caucho suave. En la figura 8 se puede observar este sistema, el cual consiste de 2 bandas elásticas unidas a 4 poleas, las cuales, a través de dos motores conectados a dos de las poleas, giran en sentido contrario para poder hacer que la rosa avance en línea recta hacia la etapa destino. Figura 8. Sistema de transporte con bandas elásticas y guía para rosas.

Fuente: Los autores.

ALTERNATIVA 3: SISTEMA DE TRANSPORTE POR BANDAS CON AJUSTE DE BANDA CON CILINDROS

En el sistema de banda y poleas, el libre movimiento de la banda es importante ya que cualquier falla, hace que funcione incorrectamente el sistema. En la figura 9, se observa un tren de rodillos giratorios que permiten que la banda elástica se deslice de manera fluida y fácil y evite la fricción que se podría generar durante el transporte de la rosa entre las dos etapas. Esta alternativa funciona de la misma manera que la anterior, con una diferencia en que esta posee los rodillos giratorios. Figura 9. Sistema de guías con rodillos giratorios para banda transportadora.

Fuente: Los Autores

27

ALTERNATIVA 4: SISTEMA DE TRANSPORTE POR BANDAS CON AJUSTE DE RODILLOS GIRATORIOS

El sistema de bandas elásticas por poleas para el transporte de las rosas después de la clasificación es uno de los mecanismos más sencillos y económicos para el traslado de las rosas de la estación de clasificación a la etapa de empacado. Uno de los factores más importantes que determina la eficiencia del sistema de transmisión es la tensión de la banda. Debido a que rosas clasificadas pasarán entre las bandas adyacentes, se debe asegurar que el espacio sea el adecuado para transportar la rosa por el tallo sujetando este con una leve presión que no lo dañe. En la figura 10 se muestra esta alternativa la cual permite el ajuste de la distancia entre bandas y de la tensión de cada banda. Figura 10. Alternativa de ajuste con guía para banda transportadora para rosas.

Fuente: Los Autores. 2.1 CRITERIOS DE SELECCIÓN. En esta sección se describen los criterios que se utilizarán para construir la matriz de decisión, y posteriormente efectuar su ponderación, y elección de la solución. A. Que permita recibir sin daños a la rosa desde el sistema de clasificación. B. Que permita entregar sin daños a la rosa al sistema de empaque. C. Que transporte sin daños a la rosa desde el sistema de clasificación hasta

el sistema de empaque. D. Que pueda almacenar simultáneamente hasta 4 rosas. E. Que sea fácilmente ajustable a las condiciones de las rosas a transportar. F. Que sea fácil de manipular por personal no calificado, permitiendo variar la

velocidad de operación para su ajuste a la producción deseada.

28

2.1.1 Matriz de valoración de Criterios: Esta matriz permite tener en cuenta los

criterios mencionados en el ítem anterior del diseño para la selección de los

materiales, actuadores, elementos de protección entre otros.

Los valores numéricos para la matriz de valoración se muestran en la tabla 5.

Tabla 5. Matriz de valoración.

Criterios Valoración

Muy Bajo Bajo Regular Alto Muy Alto

Criterio A 1 2 3 4 5

Criterio B 1 2 3 4 5

Criterio C 1 2 3 4 5

Criterio D 1 2 3 4 5

Criterio E 1 2 3 4 5

Criterio F 1 2 3 4 5

Fuente: Autor Con base en lo anterior, las calificaciones de puntaje más alto son las que definen las alternativas a elegir.

2.1.2 Matriz de decisión: para la construcción de la matriz de decisión, se

ponderaron los criterios descritos anteriormente en la tabla 6 y su respectiva

valoración, seleccionados a partir de la propuesta. De aquí se obtiene la matriz

mostrada en la tabla 6.

Tabla 6. Matriz de decisión.

Alternativas de Diseño

Criterios de Selección Puntaje (∑)

A B C D E F

Alternativa 1 4 4 4 5 1 2 20

Alternativa 2 3 3 3 4 4 4 21

Alternativa 3 4 3 3 4 3 4 21

Alternativa 4 5 4 4 5 3 4 25

Fuente: Autor Se observa en la matriz anterior el puntaje para cada criterio seleccionado,

siendo la alternativa 4 la que obtuvo el mayor puntaje; de esta manera la

alternativa de SISTEMA DE TRANSPORTE POR BANDAS CON AJUSTE DE

RODILLOS GIRATORIOS, será la base para el desarrollo del diseño que se

efectúa en este trabajo.

29

3. DEFINICIÓN DE SISTEMAS

En este capítulo se realiza el diseño de los sistemas y subsistemas que intervienen en el proceso de organización y transporte de rosas por grupos homogéneos.

3.1 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA

El diagrama de bloques de la figura 11, muestra las tres etapas finales del

proceso de producción de rosas en pos cosecha. El sistema de clasificación es

el encargado de seleccionar las rosas de acuerdo con la apertura de botón y

longitud de tallo, dicha selección se almacenará en el sistema de organización

respectivo, para a continuación enviarlas al sistema de empaque de rosas.

Figura 11. Diagrama general de los sistemas que intervienen en la producción de rosas.

Fuente: Los Autores.

Como el objetivo de este proyecto es el diseño del sistema de organización, en

la figura 12, se muestra el diagrama de bloques que especifica los subsistemas

que lo componen y su relación.

Figura 12. Diagrama de bloques del subsistema de organización por grupos homogéneos de rosas.

Fuente: Los Autores

30

A continuación, se describen los subsistemas de la figura 12. 3.1.1 Sistema mecánico: Conformado por los sistemas de recepción el cual se encarga de tomar la rosa seleccionada, del sistema de clasificación, y llevarla al inicio del sistema de organización de rosas por grupos homogéneos; el sistema de transporte, encargado de movilizar la rosa desde la recepción hasta la entrega, y del almacenamiento temporal de rosas; el sistema de entrega, encargado de entregar la rosa al sistema de empaque; y el sistema de transmisión, conformado por ruedas dentadas y una banda de caucho suave para el almacenamiento y transporte de las rosas. 3.1.2 Sistema de potencia: Conformado de un motor eléctrico y su sistema de protección, para la movilización de las bandas que van a transportar las rosas. Adicionalmente se cuenta con alimentación para los elementos que toman la rosa desde el sistema de clasificación y lo entregan al sistema de empaque. 3.1.3 Sistema de control: Empleado para el control de encendido y apagado de los actuadores. Está integrado por un PLC encargado del control del sistema y un sistema de conteo por medio de sensores. 3.1.4 Interfaz humano máquina (HMI): Encargada de la comunicación entre el programador u operario y el PLC para la programación del proceso según necesidades. También se incluye el sistema de arranque y parada de los actuadores.

31

4. DISEÑO Y CÁLCULOS DEL PROTOTIPO

En el presente capitulo se detallan los cálculos y dimensionamiento de los elementos que constituyen la máquina. A continuación, se enlistan los criterios de diseño.

4.1 CRITERIOS DE DISEÑO

El sistema almacenará hasta 4 rosas, previo al envío a la etapa de empacado.

Debe ser modular: el sistema puede acoplarse a la etapa de clasificación de rosas y a la etapa de empaque.

El sistema debe transportar 1 rosa por segundo.

El mecanismo esta en la capacidad de trabajar mínimo 8 horas diarias.

El sistema por ningún motivo, puede dañar la rosa durante su manipulación.

El sistema debe contar con un HMI o tablero de control, para su fácil manejo por operarios sin mayor entrenamiento.

El esquema general del montaje de los diferentes sistemas se muestra en la Figura 13.

Figura 13. Esquema general del prototipo de la máquina.


32

4.2 CÁLCULO POTENCIA DEL MOTOR

La selección del motor depende de la configuración del sistema de transmisión y del sistema de transporte. En primera instancia, para el cálculo de la potencia se utiliza el torque requerido para hacer que el sistema de transmisión se mueva y la velocidad angular. Utilizando la ecuación 1, se obtiene la potencia requerida del motor, según (Mott R. L., Diseño de elementos de máquina, 2006)

(1)

En donde el torque se encuentra expresado en la ecuación 2

(2)

La aceleración angular se encuentra expresada en la ecuación 3

(3)

Dónde:

- -

-

-

-

Según las especificaciones del motor en la tabla 7, reemplazando y = 0,1 en la ecuación 3 se tiene que:

Dónde:

t= Tiempo de aceleración dado por el fabricante (Tung Lee Electrical Co, 2014)

Para obtener la inercia total que debe vencer el motor, se requiere calcular

primero la inercia de cada uno de los componentes, siendo en total 16 de

estos. Ver figura 14.

33

Para las poleas, engranajes y ejes, se usó la ecuación 4.

(4)

Para las bandas de transporte se usó la ecuación 5:

(5)

Donde

M: Es la masa del elemento [kg]

R: Es el radio del elemento [m]

Para la polea 2, se tiene que la masa es de 0.15kg y el radio de 0.0254m;

reemplazando en la ecuación 4 se tiene que:

En el caso de la polea 3, la masa es de 0.7kg y el radio es de 0,0762 m;


Para los engranajes 4 y 5, la masa es de 1.1015Kg y el radio de 0,125 m


Para las poleas de las bandas transportadoras 6, 7, 8 y 9, la masa es de 0.3Kg

y el radio de 0.05m; reemplazando en la ecuación 4 se tiene que:

Para los ejes 10, 11 y 12 se tiene que la masa es de 2Kg y el radio de

0.0127m; reemplazando en la ecuación 4 se tiene que:

Para el eje 13, la masa es de 2.5Kg y el radio de 0.0127m; reemplazando en la

ecuación 4 se tiene que:

34

Para las bandas de las poleas 14 y 15, se tiene que la masa es de 0.11Kg y el

radio es de 0,17738m; reemplazando en la ecuación 5 se tiene que:

Para la banda 16 de transmisión del motor se tiene que la masa es de 0.30 kg

y el radio de 0,02 m reemplazando en la ecuación 5 se tiene que:

Para las rosas se tiene que la masa es de 0.01 kg y el radio de 0,027 m


Por lo tanto, la inercia total es:

∑

(6)

Ahora se procede a hallar el torque empleando la ecuación 2:

Con el valor obtenido del torque, ,y la velocidad angular

, se obtiene la potencia reemplazando en la ecuación 1:

Después se procede a hallar la potencia real del motor.

(7)

Dónde:

: Factor de seguridad

: Rendimiento mecánico

35

: Rendimiento eléctrico

Reemplazando en la ecuación 7, se tiene que:

Para las especiaciones de diseño, el motor seleccionado es un motorreductor monofásico de ¾ hp. Las características del motor se encuentran en la tabla 7.

Tabla 7. Características motorreductor


4.3 DISEÑO DEL SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE MOVIMIENTO DEL MOTOREDUCTOR

Se utiliza un sistema de transmisión por correa y polea con el fin de transmitir la velocidad del motor. El diseño se basó en la selección del motorreductor, ver sección 4.2, donde la velocidad de giro es de 120 rpm. El diseño se basa en el diagrama de la figura 14, donde se muestra el motor acoplado a la polea 2, que se relaciona con la polea 3 por medio de una correa; la polea 3 gira en el mismo sentido que el engranaje 4. Todo este conjunto se encuentra situado en la parte superior de la máquina.

Figura 14. Sistema de reducción de velocidad del motor

Fuente: Los Autores

Motorreductor

Grado de protección IP 44

Tensión 110 V

Peso 5.8 Kg

Frecuencia 60 Hz

Potencia ¾ HP

Velocidad sin caja reductora 1800 rpm =188,5 rad/s

Velocidad motorreductor 120 rpm

Tiempo de aceleración 0,1 s

36

Para transmitir la potencia del motor al sistema se utiliza un sistema correa polea como se muestra en la figura 15.

Figura 15. Esquema de transmisión correa bandas.


Se utiliza una correa trapezoidal o tipo V ya que trabajan en condiciones óptimas cuando lo hacen a velocidades bajas, de lo contrario, si la velocidad es considerablemente mayor, terminaría sacando la correa de la ranura de la polea. Para hallar la longitud de la correa, conociendo los diámetros y la distancia entre centros se utiliza la ecuación 8.

(8)

Dónde:

D=Diámetro polea conducida en pulgadas.

d= Diámetro polea conductora en pulgadas.

L= Longitud de la correa en pulgadas.

A=Distancia entre centros en pulgadas.

Reemplazando en la ecuación 8 el diámetro de la polea conducida por 2 in, el diámetro de la polea conductora por 6 in y la distancia entre centros por 11 in, la longitud de la correa es de:

Se procede a hallar el ángulo de contacto (α) entre la polea y la correa. Para ello, se utiliza la ecuación 9.

(9)

37

Reemplazando el diámetro de la polea conducida por 2 in, el diámetro de la polea conductora por 6 in y la distancia entre centros por 11 in, el ángulo de contacto de la correa con la banda es de:

Después de calculada la longitud dela correa, se determina la velocidad de giro de la polea 3 (conducida), empleando la ecuación 10.

(10)

Despejando de la ecuación 10 para hallar la velocidad de salida en la polea 3, donde el diámetro , el diámetro y la velocidad del

motorreductor

Debido a que el engranaje se encuentra en el mismo eje que la polea, se tiene que:

(11)

Convirtiendo la velocidad en radianes por segundo:

Por último, se halla la velocidad traslacional.

(12)

Según los criterios de diseño (ver sección 4.1), se tiene que la máquina debe enviar una rosa por segundo a la etapa siguiente, por lo que debe recorrer 20 centímetros en un segundo para dicho requerimiento. A continuación, se calcula el error de diseño de la velocidad.

|

|

(13)

|

⁄ ⁄

⁄

|

38

4.4 DISEÑO DEL SISTEMA MECÁNICO

Para el dimensionamiento de la estructura, se toma como característica fundamental la altura de la recepción de la rosa, es decir 1.7 metros y el albergue de los mecanismos de transmisión y transporte. Para la selección adecuada de la dimensión de los perfiles de la estructura se requiere tener en cuenta los pesos que debe soportar, incluyendo el sistema de transmisión y el sistema de potencia. A continuación, se diseña el sistema de transmisión.

4.4.1 Diseño de los ejes: Para el diseño de los ejes se toma la ecuación 14 con la cual se puede calcular el diámetro mínimo para el eje de transmisión con un factor de seguridad. La ecuación fue tomada del texto de. Budynas−Nisbett,(2008). Shigley’s Mechanical Engineering Design (Budynas−Nisbett, 2008)McGraw-Hill. Con fines educativos.

(

{

})

(14)

Dónde:

D= Diámetro del eje en pulgadas.

n= Factor de seguridad

Ta= Torque alternante

Tm= Torque medio

Ma= Momento alternante

Mm= Momento medio

Se= Resistencia a la fatiga

Se toma para el diseño que el factor de corrosión por fricción:

(15)

Ahora se procede a hallar el factor de la resistencia a la fatiga del eje con la

ecuación 16:

(16)

A continuación, se dispone a hallar cada una de las constantes que componen

la ecuación 17, empezando por el factor Se'.

39

(17)

Se toma el valor de para el acero 4140 aleado, con un valor de 95 kpsi.

(Budynas−Nisbett, 2008) . Se reemplaza en la ecuación 17 y se obtiene que:

Para hallar el factor de acabado superficial y el factor de modificación de

tamaño se tienen las ecuaciones 18 y 19, donde el factor hace referencia a un acabado superficial maquinado en Kpsi y. el diámetro del eje de 1 in.

(18)

(19)

El factor de carga , se toma con valor a 1, ya que el eje está sometido a

tensión. Ver ecuación 20.

(20)

El factor de temperatura , se toma basado en la tabla 6-4, página 290, del libro de Shigley’s Mechanical Engineering Design, donde se menciona la temperatura a la cual el eje estará operando, es decir, 20°C; para dicho valor, en la ecuación 21, se muestra su resultado.

El factor de fiabilidad se toma como 1, al igual que el factor de efectos variados .

(21)

Reemplazando los valores en la ecuación 16 se obtiene que:

Después de obtenido el valor de la resistencia a la fatiga, se procede a calcular la potencia ejercida del motor, para así hallar el torque producido por el mismo sobre el eje.

Para el motor elegido, el valor de la potencia se puede evidenciar en la sección 4.2. Cálculo de la potencia del motor

Tomando la ecuación 1, se despeja de la siguiente manera.

40

El valor de la velocidad angular, se muestra en la tabla 7:

Después de hallado el torque del motor, se procede a hallar el torque medio que genera la polea 2 de transmisión. Ver figura 16.

(22)

Donde

: Torque generado por el motor [N-m]

: Diámetro de la polea [m]

En la figura 16, se observa la manera de distribución de los elementos a lo largo del eje principal. Se puede observar dos apoyos a través de chumaceras, la polea 2 que transmite la potencia del motor y la polea 1 que sostiene la banda para el transporte de rosas.

Figura 16. Distribución de los elementos a través del eje.


Para la polea 2 de la figura 16, se utiliza la ecuación 25, para hallar la fuerza que ejerce sobre el eje debido a la correa que transmite la potencia del motor directamente. En la figura 17, se muestra el direccionamiento de las fuerzas de tensión que ejerce la banda sobre las poleas.

41

Figura 17. Distrubución de las tensiones generadas por las bandas

Fuente: (Mott R. L., Diseño de elementos de máquina, 2006)

Luego la otra fuerza resultante ejercida por la correa sobre la polea, se calcula

con la ecuación 23, extraída del libro, “Diseño de elementos de máquina” de

Robert Mott, página 593, cuarta edición, donde se toma la relación entre el lado

tenso y el lado flojo con un valor de 0.1.

(23)

Debido a que esta polea de trasmisión (Polea 2 en la figura 16.) transmite toda la potencia del motor, se procede a hallar el torque medio generado por el mismo con la ecuación 24.

(24)

Para la polea 1, se halla utilizando el valor de Tm, de la ecuación 24, debido a

que la polea se encuentra en el mismo eje y consume la potencia de la polea 2.

Siendo así en la ecuación 25, se muestra el cálculo para las fuerzas que

genera la polea 1.

(25)

Se solucionará para hallar F3 de la siguiente manera:

(26)

Y por último, la fuerza contraria de la polea 1.

(27)

Para hallar el momento alternante aplicado en el eje, se hace un análisis de

cargas como se ve en la figura 18.

42

Figura 18. Diagrama de cargas sobre el eje.


Para hallar la reacción Ra que se produce en el punto A de la figura 18, se

realiza una suma de momentos en el punto B como se muestra en la ecuación

28.

∑ (28)

Solucionando para Ra, se tiene que:

Para hallar la reacción Rb, en el punto B de la figura 18, se realiza un

sumatoria de fuerzas en el eje Y de la siguiente manera.

∑ (29)

Despejando el Rb de la ecuación 29, se tiene que:

Con los datos obtenidos en las ecuaciones 28, 29 se procede a realizar el

diagrama de fuerzas cortante y el diagrama de momento. Ver figura 19 y 20.

Figura 19. Diagrama de esfuerzos cortantes.


43

Figura 20. Diagrama de momento del eje.


Con base en la figura 20, se toma el máximo momento en toda la barra, este es

el momento máximo alternante.

Debido a que el eje está sometido a esfuerzos de tensión y flexión mientras

gira, el momento medio se define como 0.

Ya que el motor solo gira en un solo sentido, no hay torque alternante. El

torque medio se toma de la ecuación 24.

Se procede a hallar el valor mínimo del diámetro del eje reemplazando en la

ecuación 15, lo valores obtenidos anteriormente.

{

}

Luego el factor de seguridad es de 2 lo que asegura que el eje está

debidamente diseñado para soportar las cargas de los elementos.

Ahora se procede a calcular el diámetro mínimo para los demás ejes, 10 y 11

como se muestra en la figura 21.

44

Figura 21. Distribución de elementos del segundo eje.


Para hallar el momento alternante aplicado en el eje, se hace un análisis de

cargas como se ve en la figura 22.

Figura 22. Diagrama de cargas sobre el segundo eje.


La fuerza FN, ejercida por la polea se puede calcular, con la magnitud de la

fuerza impulsora neta a través del par torsional transmitid de la siguiente

manera:

Ahora se halla, la fuerza flexionante sobre el eje F1 de la siguiente manera:

Para hallar la reacción Ra que se produce en el punto A de la figura 17, se

realiza una suma de momentos en el punto B como se muestra en la ecuación.

∑ (32)

Solucionando para Ra, se tiene que:

45

Para hallar la reacción Rb, en el punto B de la figura 19, se realiza un

sumatoria de fuerzas en el eje Y de la siguiente manera.

∑ (33)

Despejando el Rb de la ecuación 32, se tiene que:

Con los datos obtenidos en las ecuaciones se procede a realizar el diagrama

de fuerzas cortante y el diagrama de momento. Ver figura 18 y 19.

Figura 23. Diagrama de esfuerzos cortantes.


Figura 24. Diagrama de momento del eje.


46

Con base en la figura 19, se toma el máximo momento en toda la barra, este es

el momento máximo alternante.

Debido a que el eje está sometido a esfuerzos de tensión y flexión mientras

gira, el momento medio se define como 0.

Ya que el motor solo gira en un solo sentido, no hay torque alternante. El

torque medio se toma de la ecuación 27.

Se procede a hallar el valor mínimo del diámetro del eje reemplazando en la

ecuación 15, lo valores obtenidos anteriormente.

{

}

4.4.2 Diseño del sistema de transmisión: La ubicación de los diferentes elementos encargados del transporte de la rosa se puede observar en la figura 25. Las correas, se elaboran en un material suave para la sujeción firme y sin daños de la rosa durante el transporte; las poleas son las encargadas de darle apoyo a las correas. Los piñones son los encargados de invertir y sincronizar el movimiento de las poleas.

Figura 25. Montaje de las poleas, correas, ejes y engranajes. Nota: la estructura es denotada con el número 1.


47

4.4.3 Selección de las ruedas dentadas: Se escoge un par de ruedas dentadas para sincronización del movimiento de las poleas y correas como se muestran en la figura 26.

Figura 26. Ruedas dentadas acopladas


Estas ruedas dentadas, son de dientes rectos, del mismo diámetro para mantener la misma velocidad lineal en ambas bandas y de diámetro ligeramente mayor al diámetro de las poleas, para ocupar el mínimo espacio posible. En la combinación de los engranajes, se denomina “engranaje motor” al que aporta la fuerza de entrada proveniente del motor y “engranaje conducido”, al que se acopla para obtener una salida controlada. Ver figura 27.

Figura 27. Configuración de dos engranajes de dientes rectos.

Fuente: (EVA, 2015)

La relación del par de engranajes (R) es el cociente entre el número de dientes del engranaje conducido y el número de dientes del engranaje motor. Ver ecuación 34.

(34)

Dónde:

: Número de dientes del engranaje conducido.

: Número de dientes del engranaje motor.

Reemplazando por el número de dientes de los engranajes utilizados para la construcción.

48

Donde R=1, esto quiere decir que 1 vuelta del engranaje motor, produce 1 vuelta del engranaje conducido.

La velocidad de salida del eje conducido se obtiene multiplicando la velocidad de entrada del eje motor por el inverso de la relación de engrane calculado anteriormente. Ver ecuación 35.

(35)

Dónde:

: Velocidad de entrada del eje motor.

: Velocidad de salida del eje conducido.

CALCULO DE LA VELOCIDAD DEL EJE CONDUCTOR

Reemplazando por la velocidad del motor se tiene que:

Nota: El cálculo de se realiza en el numeral 4.2.

Por lo que la velocidad que transmite el motor es de 40 RPM. Ahora, para calcular el diámetro de paso de los engranajes se tiene que: (Budynas−Nisbett, 2008)

(36)

(37)

Luego la altura del diente:

(38)

49

Luego:

(39)

Despejando el paso de la ecuación 39:

Luego el paso diametral es de dientes /in.

Para calcular el diámetro de paso del engranaje se despeja de la ecuación 40:

(40)

4.4.4 Selección de las poleas: Se seleccionan cuatro poleas en aluminio, como las que se muestran en la figura 28, con las especificaciones mostradas en la tabla 8.

Figura 28. Poleas en aluminio.


50

Tabla 8. Especificaciones de la polea.

Ítem Medida

Diámetro 100 mm

Diámetro Eje 1"

Masa total 0.3 Kg

Altura con manzana 30 mm

Ajuste Tornillo Prisionero

Fuente: Los Autores

4.4.5 Selección de las chumaceras: El siguiente elemento es la chumacera. Es una pieza mecánica consistente en un rodamiento de bolas radial y su soporte. Este elemento es importante debido a que sostendrá el eje de rotación de los subsistemas de trasmisión y transporte. En la figura 29 se observa el CAD y en la tabla 9, se observa las especificaciones básicas de la chumacera.

Figura 29. CAD chumacera AST UCP205-16.

Fuente: (AST, 2015)

Tabla 9. Especificaciones mínimas de la chumacera.

Atributos Valor (pulgadas)

Tipo de rodamiento Pista interior ampliado con tornillos de fijación

Longitud de la carcasa 55.120

Longitud de la ranura de montaje 0.7480

Ranura de montaje Ancho 0.5120

51

Altura Carcasa 2,7950

Peso (g) 816.47

Material Fundición gris, rodamiento de acero cromado

Fuente: (AST, 2015)

Para la selección de rodamientos se utilizó el programa de la empresa

SCHAEFFLER, a través de su catálogo de productos. En la figura 30, se

muestra la selección de las cargas a las que será sometido el rodamiento. Para

este proyecto, se selecciona carga radial con un valor de120N, carga axial en

un sentido y lubricación con grasa y un rodamiento tipo insertable debido a que

se cuenta con las bases para los mismos.

Figura 30. Software de selección de rodamientos.

Fuente: (SCHAEFFLER, 2016)

Después de ingresar las características, se procede a ingresar los datos

dimensionales del rodamiento, ver figura 31. El diámetro del eje es de 25 mm,

las cargas que soporta el rodamiento se basan en las calculadas en la sección

anterior.

52

Figura 31. Limitaciones del rodamiento

Fuente: (SCHAEFFLER, 2016)

De acuerdo con los resultados mostrados en la figura 31, se selecciona el

rodamiento UCP205-16, ver figura 32. Este rodamiento permite el correcto

funcionamiento de los ejes giratorios del sistema de transmisión y transporte.

Figura 32. Rodamiento tipo insertable UCP205-16


4.4.6 Diseño del sistema de transporte: Para el diseño del sistema de transporte, previamente se diseñaron y construyeron unas bandas transportadoras en caucho de silicona RTV; dichas bandas son utilizadas en el diseño que se muestra en la figura 33. En el diseño se muestra un conjunto de 4 poleas en aluminio de eje de 25mm. Cada banda está unida a dos poleas y la relación entre ellas, es de 1:1.

53

Figura 33. Esquema general del sistema de transporte de rosas.


Para la fabricación de las bandas, se utilizaron dos moldes fabricados en láminas de acrílico, como se muestra en la figura 34.

Figura 34. Diseño CAD de molde para bandas.

Fuente: Los Autores

Para analizar el sistema, banda polea, en primera instancia se determina la distancia entre centros conociendo la longitud de la correa.

Figura 35. Esquema grafico de las medidas tomadas para el cálculo de la longitud de la correa.


Reemplazando en la ecuación 8, se tiene que:

54

4.4.7 Diseño del sistema de recepción: Para la recepción de la rosa, la etapa de clasificación cuenta con un cilindro eléctrico, similar al de la figura 36(a), que la saca de la etapa de clasificación y la envía a unas guías de alambre, ver figura 36(b), para su entrega a la etapa diseñada en este proyecto.

Figura 36. Bosquejo de sistema de envió de rosas por parte de la etapa de clasificación (a), Angulo de caída de la rosa (b).

(a) (b)


Los alambres empleados para la entrega de las rosas, ver figura 36(b), son de calibre 4 DWG, empleándose 2 con una separación de 1cm y con el ángulo adecuado para que la rosa se deslice y llegue al sistema de transporte. En la tabla 10 se muestra los resultados de las pruebas realizadas para determinar el ángulo más adecuado, para el deslizamiento de la rosa de una etapa a la siguiente.

Tabla 10. Prueba de ángulo de inclinación de deslizamiento de la rosa.

Angulo (°) Desliza

10 NO

15 NO

20 NO

25 NO

30 NO

35 NO

40 NO

45 NO

50 SI


55

De tal manera que el ángulo de inclinación de la rosa tomado para el diseño es de 50 grados. Ver figura 37

Figura 37. Diseño del sistema de recepción acoplado al sistema de transporte.


4.4.8 Diseño de la Estructura Del Prototipo: Los criterios para el diseño de la estructura son:

La recepción de las rosas estará a 1.7 metros de altura, debido a que esta es la altura de transporte para la selección de las rosas.

Debe soportar todos los sistemas previamente mencionados en el numeral 4.1.

Solo debe tener contacto con las rosas en la banda de silicona RTV, para evitar eventuales daños por fricción.

Según los requerimientos anteriores, en la Figura 38 se observa el diseño CAD de la estructura.

56

Figura 38. Definición grafica de la estructura.


Los elementos que debe soportar la estructura mecánica son:

Chumaceras:

En la figura 39 se observa la medición experimental mediante una balanza la

masa de la chumacera KML.

Figura 39. Medición realizada para la masa de una chumacera de diámetro

interno 1 pulgada.


Con la ecuación 41 se calculó el peso de cada elemento.

57

(41)

Donde m es la masa del elemento y g es la aceleración gravitacional.

Reemplazando para los datos de la chumacera, se tiene que:

Banda transportadora:


masa de la banda transportadora

Figura 40. Medición realizada para la masa de una banda transportadora.


Con la ecuación 41, se calculó el peso de la banda transportadora.

Engranaje:

En la figura 41 se observa la medición experimental mediante una balanza, de

la masa del engranaje encargado del sistema de transmisión

58

Figura 41. Medición realizada para obtener el dato de la masa de un engranaje


Con la ecuación 41, se calcula el peso del engranaje

Poleas:.


masa de una polea.

Figura 42. Medición realizada para obtener el dato de la masa de una polea.


59

Con la ecuación 41, se calcula el peso de la polea de la siguiente manera:

Fuerza que ejerce el motoreductor.

En la figura 43 se observa el motor utilizado para el movimiento del subsistema

de transporte y de transmisión.

Figura 43. Motorreductor.


Con la ecuación 41, se calcula el peso ejercido por el motoreductor:

Según los datos obtenidos experimental y teóricamente, en la tabla 11, se

muestra el valor total de la sumatoria de todas las fuerzas que soporta el

ángulo en acero de la estructura; esto se realiza para obtener el parámetro de

entrada el software de simulación SolidWorks.

60

Tabla 11. Tabla con las diferentes fuerzas que ejerce cada elemento sobre la

estructura.

Elemento Cantidad Peso (N)

Chumacera 2 13,12

Banda 1 1,078

Polea 2 5,88

Engranaje 1 9,947

TOTAL 30,025 N

Fuente: Los Autores

Teniendo en cuenta las dimensiones de cada elemento, se procede a analizar las dimensiones faltantes de la estructura, ancho y profundidad. En primera instancia para el ancho se dispone de los elementos de la figura 44:

2 chumaceras en posición horizontal: 14, 986 mm

2 poleas en posición horizontal: 100 mm

2 tubos de acero para soporte chumacera: 50 mm

Espacio mínimo entre bandas según el tallo de la rosa: 0.8 mm

Figura 44. Elementos que componen el prototipo horizontalmente.


Según este dimensionamiento, las medidas finales de la estructura se indican en la figura 45, donde las unidades se especifican en mm.

61

Figura 45. Dimensionamiento de la estructura.


4.4.9 Análisis por elementos finitos.

El análisis por el método de elementos finitos permite conocer el

comportamiento de elementos bajo carga, con lo cual se puede determinar si

se tiene una respuesta acorde a los deseos del diseñador.

Se realiza un análisis de toda la estructura, para identificar que elemento

estructural pudiera presentar un alto esfuerzo aplicado, debido al peso ejercido

por los mecanismos. El material a trabajar es el acero estructural, ya que este

material presenta una excelente resistencia, además de su facilidad para

soldar.

62

Figura 46. Ubicación de las fuerzas ejercidas por los componentes de la

máquina.


En la figura 46, se observan los puntos en morado, correspondientes a las

juntas de la estructura en ángulo estructural de 1x1x1/8”, elaboradas en

soldadura MIG. En estos puntos, se ingresan los valores de las fuerzas con las

direcciones como se especifican en la figura 46, generándose automáticamente

el mallado, el cual permitirá al software analizar cada elemento

minuciosamente para observar su comportamiento, nodo a nodo, con respecto

al desplazamiento y esfuerzos generados.

A continuación se analizan los resultados obtenidos. La figura 47, muestra los

resultados obtenido para los esfuerzos de Von Mises. El punto más crítico

corresponde al punto medio de las vigas inferiores, con un valor de

1.41e7 N/m2 para una carga aplicada de 20 N. El factor de seguridad se

calcula de la siguiente manera, ver ecuación 42:

(42)

Dónde:

: Limite de elasticidad.

: Esfuerzo de Von Mises.

Reemplazando con los valores obtenidos, el factor de seguridad de la estructura es:

63

Este valor indica que se está del lado seguro, y por lo tanto la estructura no

fallará con sobre cargas razonables.

Figura 47. Diagrama de esfuerzos de Von Mises.


En la siguiente figura, ver figura 48, se observa el desplazamiento (mm) producto de la carga aplicada. El desplazamiento máximo obtenido es de 0,149 mm, valor que en ningún momento causara daño funcional a la estructura y es plenamente aceptable.

Figura 48. Análisis estático de desplazamiento.


64

4.2.6 CÁLCULO DE DISTANCIA ENTRE BANDAS

Con el fin de establecer la distancia entre bandas más adecuada para el transporte de las rosas, se realizaron mediciones del diámetro del tallo de la rosa. En la tabla 12, se muestran los resultados de la toma de datos de los diámetros de diferentes rosas.

Tabla 12. Adquisición de datos del diámetro de 12 rosas.

Número de Rosa Diámetro

(mm)

Rosa 1 7,19

Rosa 2 7,34

Rosa 3 7,58

Rosa 4 7,13

Rosa 5 7,23

Rosa 6 7,50

Rosa 7 6,99

Rosa 8 7,68

Rosa 9 7,00

Rosa 10 7,39

Rosa 11 7,63

Rosa 12 7,42


De esta manera se calcula el promedio de diámetro de las rosas con la ecuación 43:

∑

(43)

Donde n es el número de elementos, en este caso el número total de la muestra de rosas. De esta manera el promedio de diámetro fue:

Para obtener la desviación estándar es necesario calcular la varianza, para esto se usa la ecuación 44.

∑

(44)

La desviación estándar es la raíz cuadrada de la varianza, ecuación 62, esta mide la variación entre las medidas tomadas, mostrando así, la tolerancia del diámetro promedio del tallo de la rosa, ecuación 45.

65

√∑

(45)

4.5 DISEÑO DEL MECANISMO DE AJUSTE DEL CONJUNTO

Un mal ajuste en la tensión de la banda transportadora provocaría que se resbale durante la transmisión del movimiento. Es critico dar una tensión inicial a una banda, para ello en esta sección se diseña un sistema mecánico que permita tensionar las bandas después de instaladas, de manera que evite el deslizamiento de las mismas. En la figura 49, se observa el sistema en cuestión.

Figura 49. Esquema de implementación del mecanismo de ajuste.


Al hacer girar la tuerca, en sentido anti-horario el tornillo empieza a desplazarse transversalmente hacia afuera del sistema, de esta manera, todo el conjunto de chumacera, base cuadrada de chumacera y el eje se desplaza haciendo que las bandas se tensionen y tengan el ajuste adecuado. En la figura 50 se muestra el diagrama de funcionamiento.

Figura 50. Diseño del mecanismo del ajuste de bandas


66

5. CONTROL DEL PROTOTIPO

El prototipo de organización de rosas por grupos homogéneos, es un conjunto

de subsistemas que trabajan de forma coordinada, secuencial y combinacional.

Estos subsistemas se encuentran distribuidos físicamente en la estructura

mecánica y de transporte, donde se lleva a cabo la recepción de las rosas de la

etapa de calidad, el conteo y almacén de las rosas hasta el envío a la etapa de

empaque.

El objetivo del sistema de control es el de regular las ejecuciones de

movimientos y monitorear el estado de los subsistemas, proporcionando al

operario la información necesaria, a través de una interfaz de usuario

homogénea, fácilmente accesible.

5.1 PROGRAMACIÓN DEL PROTOTIPO

La arquitectura física del sistema de control, consiste en una serie equipos

electrónicos, (sensores, relés, contactores y motores), etapa de protección de

la conexión, un controlador lógico programable (PLC) y botones de inicio,

parada y parada de emergencia, los cuales interactúan bajo un estructura de

operación similar a la mostrada en el esquema de la Figura 51, Estos

elementos serán responsables del control directo de los diferentes subsistemas

de la máquina.

Debido a que la máquina se encuentra en una etapa intermedia, entre la

recepción de la rosa del sistema de selección y la entrega de esta al sistema de

empaque, esta deberá tener 2 bits, uno por parte de la recepción de la rosa,

que para efectos del control, se simula con un botón de entrada que es el

BIT_SENSOR. Para la entrega de las cuatro rosas, se simula con un botón

BIT_SALIDA, para entregar a la etapa de empaque.

Se utilizan dos contadores tipo CUT. Uno que cuenta rosa por rosa, de tal

forma que cuando se llega a las cuatro rosas se envía una señal al otro

contador, para especificar que se tiene un paquete de cuatro rosas.

El sistema cuenta con dos pilotos: uno para la actuación del motor, led verde; el

otro piloto se activa cuando la máquina entra en paro de emergencia. A

continuación se muestra el diagrama de flujo del sistema, es decir su forma de

funcionamiento secuencial.

67

Figura 51. Diagrama de flujo del sistema.


Las entradas y salidas del PLC se encuentran registradas en la tabla 14, donde

muestra las diferentes variables del sistema y sus tag’s.

68

Tabla 14. Entradas y salidas del PLC.

Fuente: Los Autores 5.2 CONTEO DE LAS ROSAS

Para el conteo de las rosas, se realizaron pruebas con dos sensores

capacitivos, los cuales le envían la señal al PLC, para que esta señal active el

conteo de las rosas. Los sensores utilizados son como los que se muestran en

la figura 52. Las especificaciones de los sensores se encuentran en la tabla 14

Figura 52 . Sensor Capacitivo

Fuente: (INDUSTRY, 2016)

Variables del PLC

Entradas

Variable Tag

Sensor 1 I0.0

Sensor 2 I0.1

Paro de Emergencia I0.2

Bit empaque I0.3

Bit sensor I0.4

Stop I0.5

Inicio I0.6

Salidas

Variable Tag

Motor Q0.0

Marcas

Variable Tag

Start M0.0

Inicio motor M0.1

Conteo M0.2

Reset contador M0.3

Salida Conteo MW2

69

Tabla 14. Especificaciones del sensor.

Sensor de Proximidad

Tipo Capacitor eléctrico (CR Series)

Distancia de detección 8 mm

Dimensión cabeza 18 mm

Voltaje 12 - 24 VDC

Tipo de Cable DC 3-wire

Tipo de salida NPN

Frecuencia 50 Hz

Tamaño Carcaza 18 x 71.5 mm

Fuente Alimentación 12-24 VDC

Fuente: (INDUSTRY, 2016)

5.3 INTERFAZ HUMANO MAQUINA (HMI)

El sistema de control es responsable, junto con la interfaz de usuario, del

conteo de las rosas clasificadas. Interconectado al sistema de control se

encuentran los mandos de: inicio, parada, paro de emergencia, bit de recepción

y bit de clasificación.

Para la visualización del HMI, se tienen 3 hojas de visualización o pantallas. La

primera hoja de visualización o imagen raíz es la pantalla principal del HMI, la

cual muestra dos opciones de control para el prototipo de organización de

rosas por grupos homogéneos, un modo automático y un modo manual, ver

figura 53.

Figura 53. Pantalla principal HMI


70

La segunda hoja de visualización, ver figura 54 (a), muestra 6 indicadores, los

cuales se activan de acuerdo a las entradas del PLC. En el caso de los bits de

entrada de los sensores, el de recepción de las rosas y el de empaque

permanecen en rojo cuando no están activos, pero cambian a verde cuando

estos son activados. El indicador de inicio solo cambia a verde cuando la

máquina está en funcionamiento y el indicador de parada se pone en rojo

cuando el paro de emergencias está activado. Además tiene un indicador que

muestra la cantidad de rosas que ingresan y los paquetes de 4 rosas enviados.

En la figura 54 (b), modo manual, se puede encender y apagar el motor, el cual

con un indicador muestra si está activo o no, además se puede modificar la

cantidad de rosas que se desea enviar y reiniciar los contadores de las rosas.

Las figuras Automático y Manual, tienen un botón ATRÁS, que permite ir a la

página principal

Figura 54. Modo Automático HMI (a), Modo Manual HMI (b).


5.4 SISTEMA ELÉCTRICO

El sistema eléctrico, cuenta con un motor que funciona con una tensión de

110V en una fase (monofásica) encargado del movimiento de las bandas

transportadoras. Por esto es necesario contar con un sistema de protección de

los actuadores y del PLC. Las salidas del PLC generan 24V, por lo que se

requiere el uso de un relé para activar el encendido del motor. En la tabla 14 se

observan los elementos de protección, indicadores y de control que permiten el

funcionamiento de la máquina.

71

Tabla 15. Elementos del sistema eléctrico

ELEMENTOS DEL SISTEMA ELECTRICO

ELEMENTO DESCRIPCIÓN CANTIDAD

Breaker Bifásico Es la protección eléctrica de todo el sistema, tiene una protección de sobrecarga de 10 A.

1

Relé Encargado de la activación del motor y de los dispositivos de control.

1

Pulsador Con luz indicadora, tensión de hasta 220 VAC 2

Pulsador tipo hongo

Este es el encargado del paro de emergencia, color rojo.

1

Indicador lumínico

Indica que el sistema está en funcionamiento, color verde, color rojo.

2

Cable vehicular número 16

Se utiliza para el cableado interno del tablero, de 8 - 10 A

3m

Cable encauchetado 3x12

Se utiliza para la conexión principal del tablero, de 27 - 30 A

5m


Los elementos van acoplados a una caja metálica con dimensiones 0,25 m x 0, 25 m x 0,15 m, por medio de un riel omega, el cual a su vez se encuentra anclado a la base del cajón para evitar que los elementos se caigan o sufran algún desperfecto, además para la protección de las conexiones se usa espiral para cables. La figura 49 muestra la distribución de los elementos en el tablero.

Figura 55. Distribución de los elementos.


Las conexiones de dichos elementos que componen el sistema eléctrico se

muestran en el plano eléctrico que se observa en el anexo B

El prototipo maneja un tablero o panel de control el cual permite tener el control

total de la máquina para la activación y desactivación de cada uno de los

72

actuadores que componen el sistema. En la figura 50 se observa dicho tablero

de control.

Figura 56.Tablero de Control


73

6 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO

La construcción y montaje del prototipo se realizó en un taller de metalmecánica industrial, el cual cuenta con todos los equipos y herramientas necesarios para la construcción; entre los que se puede destacar: máquina dobladora, máquina cortadora, máquina roladora, torno paralelo, fresadora, equipos de soldadura MIG y equipo para realizar la pintura del prototipo. El prototipo se construyó en ángulo de acero estructural, con los parámetros de diseño mencionados en el capítulo 4. El proceso de fabricación se llevó a cabo de la siguiente manera:

BANDA TRANSPORTADORA: para la fabricación de la banda, se elaboró un molde en acrílico, al cual se le inyectó el caucho silicona y se reforzó con hilo de poliamida.

El espesor de la lámina de acrílico es 10 mm. El mecanizado se realizó en un centro de mecanizado CNC. En la figura 57 se observan las medidas del diseño que son referentes a las especificaciones de las dimensiones requeridas para la elaboración de la banda de caucho.

Figura 57. Dimensionamiento de molde para banda transportadora.


74

Figura 58. Fabricación Banda Transportadora.


BASE ESTRUCTURA: Con base en la figura 31 se cortaron los angulos de 1x1x 1/8 y se soldaron obteniendo la forma que se observa en la figura 59.

Figura 59. Construcción base estructura.


BASE RODILLOS: esta parte de la estructura, se encarga de sostener los rodillos que impiden la deflexión de la banda cuando se estan soportando las rosas. Esta base se soldó junto con las bases de las chumaceras inferiores. Para la construccion se tomaron los angulos con la medidas especificadas en el plano base para rodillos, anexo A; se soldaron dandole la forma que se observa en la figura 60.

75

Figura 60. Construcción base rodillos y chumaceras.


RODILLOS DESPLAZAMIENTO DE BANDA: para la fabricación de los rodillos, se tomó una barra cilíndrica de aluminio la cual fue cortada a 2cm de alto y 3 de diámetro, estos fueron cilindrados, y refrentados y taladrados en un torno, ver figura 61.

Figura 61.Rodillos de desplazamiento de banda.


MECANISMO AJUSTE DE BANDAS: para tensionar las bandas, se implementa el mecanismo diseñado con angulos y una varilla roscada que se encuentra soldada a este ver figura 62.

76

Figura 62. Varilla roscada utilizada para ajustar las poleas


EJES DE ROTACIÓN: los ejes de rotación de las poleas, se fabricaron con una varilla de acero 4140 de diámetro de 1”.

Figura 63. Eje de rotación en acero


POLEAS Y ENGRANAJES: Las poleas fueron fabricadas en aluminio, ver figura 64, y los engranajes fueron tomados de una caja de cambios de un automóvil, ver figura 65

77

Figura 64. Poleas en aluminio soportadas en el eje.

Fuente: Los Autores. Figura 65. Ensamblaje de los engranajes


ACOPLE MOTOR: En la parte superior de la estructura se coloca una platina

que se encarga de acoplar el motor a la estructura, este se fija con tornillos

de tal forma que pueda desmontarse en caso de requerir un mantenimiento

posterior. La figura 66 muestra dicho acople.

Figura 66. Diseño del sistema de transmisión de movimiento del motor.


78

ENSAMBLE: Para el ensamble de la máquina se toman los componentes ya

fabricados y se ensamblan siguiendo los planos de fabricación.

A continuacion se ilustran en las figuras, varias tomas fotograficas del prototipo

construido a escala real. En la figura 67, se observa el sistema de recepción de

la rosa, proveniente de la etapa de clasificación; también se observa el sistema

de conteo con dos sensores capacitivos.

Figura 67. Sistema de conteo y sistema de recepción.


En la figura 68, se observa una imagen detallada del sistema de transporte

construido.

Figura 68. Sistema de entrega de rosa.


79

Con el fin de garantizar una operación segura de la máquina, se cubren las

partes móviles, con fácil acceso, empleando lámina metalica, ver figura 69.

Figura 69. Caja de protección de engranajes.


PINTURA: Luego de tener la máquina ensamblada, se realizá una limpieza

general de las partes que se someten al proceso de pintura, para eliminar las

particulas de grasa y polvo que eviten la fijación de la pintura. La figura 70,

muestra la estructura mecanica, construida ajustada y pintada.

Figura 70. Estructura final del prototipo.


80

7 ANALISIS, RESULTADOS Y RECOMENDACIONES

Una vez finalizado el proceso de ensamblaje del prototipo de la máquina, se

procede a realizar en primera instancia pruebas de recepción de varias rosas

en la banda transportadora, sin presentar ningún tipo de inconveniente, ver

figura 71.

Figura 71. Rosas ubicadas en la banda transportadora.


Una vez verificado el correcto funcionamiento del sistema de recepción, se

procede a evaluar el funcionamiento del sistema de medición integrado por dos

sensores capacitivos. En primera instancia, los sensores se ubicaron en la

posición que se muestra en la figura 72.

Figura 72. Primera ubicación de los sensores.


81

Después de realizadas las pruebas, se encontró que el espacio para

almacenamiento de rosas es de 33 centímetros, dejando al límite el espacio de

almacenamiento para cuatro rosas; el espacio libre es de 13 centímetros,

utilizar este espacio deja un umbral de una rosa más, evitando que la primera

rosa que entre, quede al ras del final de la banda y pueda caerse.

Como recomendación para futuros trabajos, se realiza a continuación el

dimensionamiento de la banda transportadora para almacenar hasta 8 rosas

tipo exportación, si se desea incrementar la capacidad de almacenamiento y

por lo tanto la productividad. En la figura 73, se muestra la distribución de la

nueva banda a diseñar y construir.

Figura 73. Diseño banda transportadora para trabajos futuros.


Dónde:

X= Es la separación factible entre rosas.

A= Distancia entre centros de las poleas en aluminio.

Para este diseño, se recomienda el uso de poleas en aluminio con diámetro de

100 mm, y eje de 1 pulgada. La distancia mínima entre rosas para evitar

contactos entre ellas y futuros enredos debe ser de 70 mm tomado a partir del

diámetro del botón. Para calcular la distancia entre centros se debe tomar el

diámetro máximo de botón de rosas.

(46)

(47)

Con estos valores se calcula la distancia entre centros de la siguiente manera.

(48)

Ahora, ya conociendo la distancia entre centros, se calcula la longitud de la

banda con la ecuación 8.

82

Para fabricaciones futuras, y duplicar la producción, se debe tomar la longitud

de correa calculada.

Figura 74. Ubicación final de los sensores capacitivos.


Para verificar el conteo de rosas, se dispuso de dos sensores ubicados de

manera enfrentada como se muestra en la figura 74. Los sensores se deben

activar al mismo tiempo, debido a que la única manera de que cuenta es con

una compuerta AND. A continuación, se realiza la prueba con 40 rosas para

determinar el funcionamiento.

En la tabla 17, se consigna el 50 por ciento de las pruebas de conteo de un

total 40 rosas.

Tabla 17. Consignación de pruebas de conteo para 20 rosas.

Rosa Diámetro Botón [cm] Sensor 1 Sensor 2

1 5.2 cm SI SI

2 4.7 cm SI SI

3 4 cm SI SI

4 4.6 cm SI SI

5 4.9 cm SI PARPADEO

6 5.4 cm NO SI

7 5.3 cm SI SI

8 5.1 cm SI SI

9 4.3 cm SI SI

10 4.8 cm SI SI

11 4.9 cm SI SI

12 4.2 cm SI SI

83

Rosa Diámetro Botón [cm] Sensor 1 Sensor 2

13 4.1 cm SI SI

14 4.9 cm PARPADEO SI

15 5.0 cm SI SI

16 4.8 cm SI SI

17 4.7 cm SI SI

18 4.5 cm SI NO

19 4.9 cm SI SI

20 4.7 cm SI SI

Fuente: Los Autores

En la figura 75, se muestra en gráfico circular que muestra la distribución del

porcentaje de funcionamiento del sensor 1. La prueba se le aplico a 40 rosas.

Figura 75. Resultados de prueba de conteo sensor 1.


En la figura 76, se muestra en el gráfico circular la misma prueba realizada al

sensor 1.

Figura 76. Resultados de prueba de conteo sensor 2.


90%

5% 5%

Prueba Sensor 1

SI

NO

PARPADEO

85%

10% 5%

Pueba Sensor 2

SI

NO

PARPADEO

84

Ahora se realiza la prueba de funcionamiento del HMI integrado a la máquina.

Para ello se utilizó una touch panel KTP600 Basic color PN. Se cargó el

programa a través del software TIA PORTAL V13 y en la figura 77 se observa

la pantalla principal.

Figura 77. Pantalla principal HMI.


A continuación se prueba el modo manual del HMI. En la figura 78 se visualiza

el modo de funcionamiento del motor a través de un piloto verde que se

enciende cuando el motor está en funcionamiento.

Figura 78. Modo manual del proyecto en HMI.


85

Además, en la figura 79, se puede ingresar el número de rosas a enviar a la

estación de empaque, un contador de rosas en almacenamiento, y el total de

paquetes enviados por grupos homogéneos de rosas al sistema de empaque.

Esto se realizó para poder ajustar el sistema a diferentes ciclos de producción.

Figura 79. Modo automático del funcionamiento del HMI.


En el modo automático se puede visualizar la conexión de las entradas físicas

del PLC con el HMI; en la figura 80, se visualizan a través de pilotos de colores

la activación de las entradas: bit recepción, sensor 1 y 2 y empaque.

Figura 80. Visualización entradas físicas en el HMI.


Con el fin de conocer más a fondo los alcances del prototipo, se realizan los

respectivos cálculos de su consumo energético, para esto se halla la potencia

de consumo de cada uno de sus elementos a través de la hoja de datos.

86

Tabla 18. Consumo en vatios de los elementos de la máquina.

Elemento Consumo [W]

PLC S7-1200 4,2

FUENTE SITOP 120

TOUCH PANEL 6

MOTOREDUCTOR 400

RELE 1,2

SENSORES 0,2

Fuente:

Se tiene que:

∑ (49)

Para conocer el valor de consumo en pesos, se convierten los watts que se

consumen a Kw/h.

El resultado anterior se multiplica por el costo de un Kw/h en estrato 2.

(Codensa, 2015-2016)

(50)

(51)

Dónde:

CeH=Costo consumo energético durante una hora [$]

cKw/H= costo kw/h

w= Potencia consumida

Reemplazando por los datos obtenidos:

A partir de lo mencionado se puede afirmar que el costo monetario del

consumo de la máquina, en cuanto a energía, durante una hora conectada es

de $

87

Para demostrar las ventajas económicas que podría tener un empresario si

implementará en su industria de rosas el prototipo diseñado, se realiza un

análisis comparativo de los costos de operación de la máquina en modo

automático respecto al salario que devenga un operario en una hora de

producción, sin incluir gastos parafiscales, primas, vacaciones e incapacidades.

Limitando este análisis a la producción máxima es decir una producción de

28.800 rosas en un turno de 8 horas.

Para realizar el análisis, se debe tomar el salario mínimo vigente actual, que es

de $689.454; es decir que al operario se le paga por hora de trabajo un valor de

$2.872. Si dicho operario trabaja en un turno de 8 horas el valor a pagar se

calcula a continuación. (Gerencie: Nomina)

Ahora si el prototipo fuese implementado en la empresa durante 8 horas.

El resultado de los ejercicios de comparación demuestra, que el prototipo en

pesos en un turno de 8 horas consume un valor de $2284,8 pesos, mientras

que el operario se le debe pagar por ese mismo turno un valor en pesos de

.

Con el valor obtenido, el empresario ahorraría un valor por un turno

de 8 horas utilizando el prototipo diseñado. Si se hace un estimativo de que la

producción es máxima, es decir que se pueden trabajar dos turnos de 8 horas

diarias, durante un mes, trabajando de lunes a viernes, el dueño de la empresa

logra obtener un ahorro de $781.609,6 pesos colombianos. El análisis

comparativo indica que se presentaría un ahorro para el empresario en costos

por mano de obra del operario.

88

8 CONCLUSIONES

El prototipo diseñado para el almacenamiento y conteo de las rosas, cumple con los requerimientos de producción planteados. Almacena hasta 4 rosas por lote, sin afectar el aspecto con el que vienen de la etapa de clasificación.

El diseño del prototipo es modular, de tal manera que pueda acoplarse a las etapas de clasificación y empaque con facilidad.

Debido al diseño ergonómico del tablero de control, los botones de accionamiento y parada son de fácil identificación y acceso, de tal manera que un operario sin mayor entrenamiento pueda tener acceso a la operación del equipo.

Para garantizar la integridad de la rosa en su totalidad, se diseñaron y construyeron bandas flexibles de caucho de silicona que facilitan el transporte a lo largo de toda la máquina.

El estudio de la capacidad de producción de rosas permite la implementación de un sistema HMI integrado, que se ajusta a la capacidad de producción máxima del prototipo, de una rosa por segundo. Además lleva una contabilidad de cuantos paquetes de 4 rosas se han enviado a la estación de empaque.

En el diseño del sistema se han considerado esquemas de seguridad, tanto para el operario como para el producto, manteniendo su calidad y en general, se optimiza la producción.

89

9 BIBLIOGRAFIA

ABB. (18 de 02 de 2013). Catalogo de motores baja tensiòn. Catalogo de

motores baja tensiòn. Zurich, Sudamérica: ABB.

ASME. (1968). www.asme.org. Recuperado el 21 de enero de 2015, de

www.asme.org/products/courses/codigo-seccion-viii-div-1-diseno-

construccion-(1)

AST. (2015). Bearings and Related Products & Services. Recuperado el 26 de

Julio de 2016, de

http://www.astbearings.com/product.html?product=UCP205-16

Baliña, R. R. (2012). Confección de accesorios para decoración. MALAGA:

INNOVA.

Bavaresco, G. (2016). G.A.B.P. Ingenieria. Obtenido de Procedimiento para el

diseño de ejes:

http://gabpingenieria.weebly.com/uploads/2/0/1/6/20162823/diseo_de_ej

es.pdf

Bogotá, A. d. (16 de 1 de 2016). ALCALDIA DE BOGOTÁ. Obtenido de

http://www.alcaldiabogota.gov.co/sisjur/normas/Norma1.jsp?i=15978

.Budynas−Nisbett, (2008)Shigley’s Mechanical Engineering Design, (págs.

659-665). Mc Graw Hill.

Cadavid, J. (21 de Febrero de 2016). Las exportaciones de flores colombianas

cayeron 5,7 %. Portafolio.

Cavassa, C. R. (1991). Erogonómia y productividad. Mexico: LIMUSA.

Codensa. (2015-2016). TARIFAS DE ENERGÍA ELÉCTRICA ($/kWh)

REGULADAS POR LA COMISIÓN. Bogotá.

COLLIEU, A., & POWNEY, D. J. (1997). Propiedades mecánicas y térmicas de

los materiales. BARCELONA: REVERTE S.A.

Colombia, M. (2015). Colombia CO. Recuperado el 20 de Junio de 2016, de

http://www.colombia.co/exportaciones/en-floricultura-la-respuesta-es-

colombia-2.html

Control, D. M. (19 de 04 de 2016). 4QD - DC Motor Control. Obtenido de

http://www.4qd.co.uk/faq/bmnc1.html

90

COSER, S. (2014). Recuperado el 20 de Junio de 2016, de

http://www.sabercoser.es/alta-tenacidad.html

ECOROSES. (2015). ECOROSES S.A. Recuperado el 20 de Junio de 2016, de

http://www.ecoroses.com.ec/growing/cold-chain/

Electricas, S. (5 de 2 de 2016). NDU. Obtenido de http://www.ndu.cl/final-de-

carrera

EMEC, R. (2013). Resinas EMEC. Recuperado el 20 de Junio de 2016, de

http://www.resinasemec.com.ar/cauchos.htm

EVA. (2015). Facultad de Ingenieria. Obtenido de Entorno Virtual de

Aprendizaje:

https://eva.fing.edu.uy/pluginfile.php/48188/mod_resource/content/2/carti

llas/Engranajes.pdf

Gerencie: Nomina. (s.f.). Recuperado el 27 de Agosto de 2016, de

http://www.gerencie.com/nomina.html

HARPER, G. E. (2012). El ABC de la instrumentación en el control de procesos

industriales. MEXICO: LIMUSA.

(1996). NTC 2050. En ICONTEC, NTC 2050 (págs. 1-860). BOGOTÁ:

ICONTEC.

INDUSTRY, D. (2016). Recuperado el 28 de Agosto de 2016, de

http://www.directindustry.es/prod/autonics/product-23164-970643.html

Integrados, S. E. (2015). Recuperado el 19 de Julio de 2016, de

http://sei.com.pe/tablero-gerx/

ITC, T. M. (2015). ITC. Recuperado el 2016 de Julio de 2016, de

http://www.trademap.org/(X(1)S(he23wr450hnxud55ribbed45))/Country_

SelProduct_Graph.aspx

Jamafa. (s.f.). Recuperado el 2 de Mayo de 2016, de

https://www.youtube.com/watch?v=L5sbDGGfiTs

JAMAFA. (2016). DUIJNDAM MACHINES. Recuperado el 20 de Junio de 2016,

de https://www.duijndam-machines.com/es/machines/

Kalpakjian, S. (2002). Manufactura, ingeniería y tecnología. Naucalpan:

prentice hall .

Kalpakjian, S., & Schmid, S. R. (2008). MANUFACTURA, INGENIERIA Y

TECNOLOGI. Mexico D.F: PEARSON EDUCACION.

91

Leiva, L. F. (2008). Controles y Automatismos, Decima edición. Bogota:

Panamericana Formas e Impresos S.A.

Montoya, Y. (20 de 04 de 2016). prezzi . Obtenido de

https://prezi.com/iw2jfzoaemwt/diodo-o-sensor-infrarojo/

Mott, R. L. ( 2006). Diseño de elementos de máquina. México: Pearson

educación.

Pardo, J. G. (6 de Mayo de 2011). Slide Share. Recuperado el 20 de Junio de

2106, de Manejo de Flor Cortada:

http://es.slideshare.net/joguitopar/joguitopar-manejo-de-flor-cortada

PoliNylon. (2014). Hilos Industriales. Recuperado el 20 de Junio de 2016, de

http://www.polinylon.com/hilos-industriales.html

Ráez, M. Á. (20 de 04 de 2016). Automatización y Electrónica . Obtenido de

http://www.dirind.com/dae/monografia.php?cla_id=18

SCHAEFFLER. (2016). Selección de rodamientos. Recuperado el 30 de Agosto

de 2016, de

http://medias.schaeffler.com/medias/la/start.do?property&lang=es&medi

asS=bHf6o4fg68Kd&mediasCall

Susana, G. P. (2007). UNAD. Recuperado el 20 de Junio de 2016, de

http://datateca.unad.edu.co/contenidos/302568/Material_didactico_definit

ivo/leccin_1_la_floricultura_en_colombia_y_el_mundo.html

Tung Lee Electrical Co. (2014). Recuperado el 20 de Agosto de 2016, de

http://www.tunglee.com.tw/en/search.php

Ultra, P. (2014). Acrilico y Policarbonato. Recuperado el 20 de Junio de 2016,

de http://www.acrilico-y-policarbonato.com/acrilico.html

Yafte, L. (4 de Julio de 2012). Libro de sensores. Recuperado el 28 de Agosto

de 2016, de http://libro-sensores.blogspot.com.co/2012/07/sensor-

capacitivo.html

construcción de un prototipo de sistema de organización

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